ORVOSI KÉPALKOTÓ ELJÁRÁSOK. I. A digitális kép Optikai csalódások - intenzitás. Orvosi képalkotó eljárások Praktikus tudnivalók, 2012

Átírás

1 Orvosi képalkotó eljárások Praktikus tudnivalók, 2012 ORVOSI KÉPALKOTÓ ELJÁRÁSOK Kellermayer Miklós A tantárgy előadói és gyakorlatvezetői: az Anatómiai, Szövet- és Fejlődéstani Intézet, a Humánmorfológiai és Fejlődésbiológiai Intézet a Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, a Nukleáris Medicina Tanszék oktatói. Előadások az 1-5. héten az egész évfolyamnak a Szent-Györgyi Albert előadóteremben (kedden 18:30-20:00). Gyakorlatok az Anatómiai Intézetben az A és C csoportok számára a 3-7. héten, a B és D csoportok számára a héten. A Humánmorfológiai Intézetben ez E és G csoportok számára a 3-7. héten, az F és H csoportok számára a héten. Részvizsga az Anatómiai Intézetben a 8. héten az A és C a 14. héten a B és D csoportok számára, a Humánmorfológiai Intézetben a 8. héten az E és G, a 14. héten az F és H csoportok számára. Gyakorlatok a Biofizikai Intézetben a B, D F és H csoportok számára az 5-7. héten, az A, C, E és G csoportok számára a héten. Az F csoportoknak az október 19-i oktatási szünet miatt elmaradó gyakorlata november 9-én, a B csoportoknak az október 23-i ünnep miatt elmaradó gyakorlata október 30-án lesz megtartva. I. A digitális kép Optikai csalódások - intenzitás Hiszem ha látom!? Optikai csalódások: A látás nem csupán képi információ detektálása, hanem bonyolult feldolgozás is lezajlik Optikai csalódások méret, irány

2 Optikai csalódások tér Optikai csalódások mozgás Optikai csalódások mozgás Kép: szemmel közvetlenül megfigyelhető információ vagy mégsem?

3 Kép: Fénymikroszkópos kép Lobulus hepaticus Kép: festmény Kép: Pásztázó elektronmikroszkópos felvétel Kép: Atomerőmikroszkópos felvétel VVT bakteriorodopszin DNS

4 Kép: Orvosi diagnosztikai felvétel CT MRI A digitális kép A digitális kép: a tér különböző, diszkrét pontjain szín formájában megjelenített információ. Elemi képpontok 2 vagy 3 dimenziós hálózata, mátrixa. Információ: bármely, feszültséggé konvertálható változó (abszorbancia, koncentráció, relaxációs idő, intenzitás, stb.) y x P x,y A digitális kép jellemzői: 1. Elemi képpont: pixel (pix=kép; element) 2. Pixelhez rendelt információ: a. XY lokalizáció: térbeli felbontással összefüggő koordináta értékek b. "Színmélység": színfelbontással összefüggő intenzitás v. denzitás érték 3. Térbeli felbontás (spatial resolution): Az X és Y irányban elkülöníthető pixelek száma 4. Színfelbontás (grayscale/color depth, denzitás, intenzitás, színmélység...): Az elkülöníthető szín (vagy szürkeintenzitás) értékek száma (bit) (De: a szín nem feltétlenül valódi színnek felel meg; pl. AFM, CT, MRI) A SZÍNHISZTOGRAM (intenzitás hisztogram, grayscale hisztogram) Az elkülönített színek (intenzitások) függvény formájában ábrázolhatók Digitális képfeldolgozási technikák I. Kontraszt manipuláció A. Kontraszt transzfer függvény: a pixel denzitás értéke és a megjelenített szín közötti hozzárendelést írja le Hisztogram: A képben előforduló, pixelekhez rendelt színek (intenzitások) relatív gyakorisága n Σn = teljes kép mérete pixelekben 0 255

5 Kontraszt manipuláció B. Hisztogram kiegyenlítés ( histogram equalization ) Cél: a rendelkezésre álló intenzitástartomány lehető legteljesebb kihasználása Digitális képfeldolgozási technikák II. Konvolúció Két függvény (digitális kép és kernel) közötti különleges transzformáció; kernel művelet a kontraszt transzfer függvény a kép kumulatív hisztogramja simító kernel * P x,y = + m W i,j P x +i,y+ j i, j = m +m W i, j i, j = m simító konvolúció P=eredeti pixel intenzitás érték x,y=azon pixel koordinátái, amelyen a mûveletet végezzük P*=módosult pixel intenzitás érték ±m=a kernel mérete (x,y koordinátától mért távolság) W=a kernel "súly értéke" egy adott, i,j ponton i,j=a kernelen belüli koordináták (egész számok -m és +m között) Különböző kernelek Gauss Digitális képfeldolgozási technikák II. Konvolúció Digitális képfeldolgozási technikák III. Rang műveletek Elv: a pixel értéket kicseréljük a kernel által definiált környezetben található valamely, rangsor alapján kiválasztott, pixel értékre (pl. min, max, medián) eredeti kép Zajeltávolítás medián szűréssel: élesítés (sharpen) Gauss (simítás) él detektálás 3x3 medián szűrő

6 Geometriai transzformáció Alapprobléma: 2D kép 3D objektumról IV. Fourier transzformáció Fourier elv: Bármely függvény előállítható egy szinuszfüggvény és felharmonikusai összegeként. Fourier transzform -> spektrális sűrűség: adott frekvenciakomponens járulékát adja meg. Eredeti kép FFT Inverz FFT Maszkírozott FFT Küszöbölés, szegmentáció Lényege: Bizonyos szempontok alapján területekre osztjuk a képet. Megvalósítása: 1. Kiválasztjuk a kép egy bizonyos szürkeintenzitás tartományát 2. az ebbe a tartományba eső pixelek alkotják az előteret ("foreground ) 3. a többi pixel alkotja a hátteret ("background ) Műveletek bináris képeken III. Szkeletonizáció, körvonalazás Erózió és dilatáció bizonyos szabályok betartásával Eredeti kép Bináris kép Szkeletonizált kép Körvonalazott kép bináris kép

7 3D képanalízis voxel: térfogatelem pixel: felületelem, elemi képpont Kép Térbeli projekció ( volume rendering ) II. Röntgensugárzás alapú képalkotás Orvosi diagnosztikában használt képi formátum: DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) A röntgensugárzás elektromágneses sugárzás A röntgensugárzás keltése X- sugarak Ifűtő Hullámhossz: ~3 futballpálya Hullámhossz: ~3 m Hullámhossz: ~3 cm Hullámhossz: nm Hullámhossz: ~30 H-atom átmérő Ufűtő Maximális fotonenergia (ε max): eu anód = ε max = hf max Hullámhossz nm. Frekvencia 30x x10 18 Hz. Energia 120 ev kev. Forgóanódos röntgencső Határhullámhossz (Duane-Hunt-törvény): λ min = hc e 1 U anód h =Planck állandó c = fénysebesség e = elektron töltése

8 A röntgensugárzás keletkezési mechanizmusai Primér elektron Primér elektron A röntgensugárzás spektrális tulajdonságai Fékezési sugárzás Fotonenergia (kev) Karakterisztikus sugárzás Fotonenergia (kev) Karakterisztikus sugárzás Folytonos sugárzás Relatív intenzitás Relatív intenzitás Szórt elektron Szórt elektronok Fékezési sugárzás Karakterisztikus sugárzás Hullámhossz (pm) Hullámhossz (pm) Folytonos spektrum Vonalas spektrum A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal: abszorpció Röntgen fotoeffektus Belépő intenzitás J0 x abszorbens Kilépő intenzitás J Exponenciális sugárgyengítési törvény J J0 J = J 0 e μx x μ = μ m ρ Beeső röntgen foton (hf) Kilépő elektron (további röntgen foton keltésében vehet részt) A diagnosztikai röntgenben fellépő legfontosabb hatás Fotoeffektus gyengítési együttható: τ = τ m ρ μ = gyengítési együttható μ m = tömeggyengítési együttható (cm 2 /g) ρ = sűrűség (g/cm 3 ) τ m=fotoeffektus tömeggyengítési együttható ρ=sűrűség

9 A fotoeffektus függ a fotonenergiától és a rendszámtól Compton szórás τ m = const Z 3 ε 3 = C λ3 Z 3 C = 5,5-6,5 cm 2 /g nm 3 Többkomponensű rendszerben: effektív rendszám (Z eff) Z eff = 3 3 w i Z i n i=1 ε=fotonenergia Z=rendszám w=móltört n=komponensek száma Közeg Zeff Levegő 7.3 Víz 7.7 Lágy szövet 7.4 Csontszövet 13.8 Energiamérleg: Arthur Holly Compton ( ) hf = A + hf scatt + E kin A=kötési energia hfscatt=szórt foton energiája Ekin=Compton-elektron mozgási energiája Compton-effektus gyengítési együttható: σ = σ m ρ beeső foton Párkeltés Diagnosztikában használt energiáknál elenyésző Sugárcsillapítási mechanizmusok Fotonenergia és közeg hatása beeső foton párkeltés Energiamérleg: Ólom Víz (lágyrészek) hf = 2m e c 2 + 2E kin m e=elektron tömege c=fénysebesség Párkeltés gyengítési együttható: κ = κ m ρ A párkeltés a nagyenergiájú (terápiás) röntgensugárzás és a γ- sugárzás esetében jelentős. μ = τ + σ +κ μ m=tömeggyengítési együttható τ m=fotoefektus tömeggyengítési együttható σm=compton-szórás tömeggyengítési együttható κm=párkeltés tömeggyengítési együttható

10 Sugárgyengítési mechanizmusok A röntgensugárzás képalkotási alkalmazásai Mechanizmus fotoeffektus Releváns fotonenergiatartomány lágyszövetben Comptonszórás párkeltés μ m változása fotonenergiával (ε) μ m változása a rendszámmal (Z) ~1 / ε 3 ~Z kev ε növelésével lassan csökken ε növelésével lassan nő ~Z/A 30 kev - 20 (A = tömegszám) MeV ~ Z 2 > 20 MeV Diagnosztikai röntgen: 1. lágyrész-csont közötti kontrasztmechanizmus: fotoeffektus (~Z 3 ) 2. lágyrészen belüli kontrasztmechanizmus: Compton-szórás (~ρ) Wilhelm Konrad Röntgen ( ) Hand mit Ringen ( Kéz gyűrűvel ): Wilhelm Röntgen első "orvosi" röntgenfelvétele felesége kezéről (1895 december 22). A röntgen képalkotás elve A röntgen kép x1 x2 x3 Röntgen sugárforrás Belépő intenzitás Kilépő intenzitás Röntgensugárzás J0 abszorbens 1 (μ1) abszorbens 1 (μ2) abszorbens 1 (μ3) J Detektor (film, szenzor, képernyő) Gyengítés (emberi test) J = J 0 e (μ 1x 1 +μ 2 x 2 +μ 3 x ) lg J 0 J = ( μ 1x 1 + μ 2 x 2 + μ 3 x ) lge μn = n-edik abszorbens gyengítési együtthatója xn = n-edik abszorbens vastagsága A röntgenkép szummációs kép. ( röntgen felvétel, radiográfiás kép, röntgenogram ) Kontraszt a térben különböző gyengítési együttható miatt lép fel.

11 Röntgen kontraszt Röntgen képalkotás javítása Képerősítés Röntgen nyaláb Fotoelektronok Lumineszcens ernyő 2 C-kar Bélrendszer kontrasztanyaggal feltöltve (pozitív kontraszt) Levegő az agykamrában (negatív kontraszt) Lumineszcens ernyő 1 Fotokatód Elektródák Vastagbél (dupla kontraszt) Vékonybél (dupla kontraszt) A kép digitalizálására nyílik lehetőség Röntgen képalkotás javítása Digital Subtraction Angiography (DSA) Röntgen képalkotás javítása Térbeli információ Kétirányú röntgenfelvétel Kép 1 Kép 2 DSA kép natív kontraszt kontraszt-natív Számszeríjjal elkövetett suicid kísérlet. Kétirányú koponyafelvétel.

12 Röntgen képalkotás javítása: CT Történelem CT szkenner prototípus Röntgen, Hounsfield és Cormack 1967: első CT felvétel 1972: prototípus 1974: első klinikai CT (fej) 1976: egész test CT 1979: Nobel díj 1990: spirál CT 1992: multislice 2006: 64 szelet (és egyre több ) napjainkban egyre terjed, M.o.-n is hozzáférhető: PET-CT, Dual-source CT Godfrey Hounsfield Siretom fej szkenner (1974) Allan Cormack 128x128 pixel felbontású kép (1975) A legelső CT szkenner prototípusa. Feltalálója Godfrey Hounsfield, EMI. CT alapok I CT alapok II forrás detektor μ x : lineáris gyengítési együttható

13 Pásztázás I Pásztázás II III-IV. generáció: egyetlen mozgó forrás, széles legyező alakú nyaláb, több detektor vagy detektor gyűrű I. generáció Egyetlen mozgó forrás Egyetlen mozgó detektor II. generáció Egyetlen mozgó forrás Keskeny legyező alakú nyaláb Több mozgó detektor zárt mérőüreg nyitott mérőüreg Spirál (helikális) CT Sugárforrás-detektorsor pár állandóan forog CT Hagyományos CT képszelet Multi-detector CT (MDCT) Spirál CT képszelet Multi-slice CT (MSCT) Rtg sugárzást használó digitális rétegvizsgálat A képalkotás alapja a rtg sugár elnyelés különbségeinek ábrázolása a vizsgált síkban Hagyományos (elavult) technika: egy szelet 2-4 sec, teljes vizsgálat: 5-15 perc Spirál CT technika: egy szelet sec, vizsgálati idő: sec (+ előkészítés) Multidetektoros spirál CT (4-64 detektorsor): egy szelet sec, vizsgálati idő: 5-15 sec

14 CT szkenner működés CT Képrekonstrukció D: detektorok R: rotáció 1. Algebrai rekonstrukciós technikák 2. Közvetlen Fourier rekonstrukció 3. Filtered Back Projection T: röntgencső X: röntgen rugárnyaláb CT kép: 4000 detektor 1000 projekció 512x512 mátrix 16 bit színmélység CT kép: Denzitás mátrix A CT kontraszt manipulálása Ablakozás N CT =1000 μ μ w μ w μ: a voxel gyengítési együtthatója μ w : a víz gyengítési együtthatója Sűrűség ( CT szám ): Hounsfield egység A kontraszt transzfer függvény változtatása Eredmény: lokális kontrasztnövekedés

15 A CT kontraszt manipulálása Ablakozás Ugyanazon felvételek eltérő ablakolással A CT korlátai Agyszöveti ablak Lágyrész ablak Tüdő ablak Csontablak Ionizáló sugárzás hagyományos rtg felvétel dózisának akár szorosa! direkt sugár expozíció + szórt sugárzás (egy-két nagyságrenddel kisebb) HRCT (High Resolution, nagyfelbontású CT) Nagyon finom, vékony szeletek (1-2 mm), nagyon jó kontrasztfelbontással. Nagy kontrasztkülönbségeknel (csontok, tüdő). Adatfeldolgozás: dedikált algoritmusokkal Dual Source CT két röntgenforrás és két detektor egyidejű alkalmazása a két cső egymásra merőlegesen helyezkedik el, egymással szinkron gyűjtik a detektorok az információt két különböző üzemmódban működhet dual source alkalmazásban mindkét röntgencső azonos kv értékkel dolgozik axiális szelet adatgyűjtéséhez 90 -os elfordulásuk szükséges dual energy üzemmódban a két csőfeszültség 80 és 140 kv, a két cső 180 -ot fordul egy harántmetszet elkészítéséhez az eltérő energiájú röntgensugarak elnyelődése más és más lesz két, eltérő információtartalmú adatsor jön létre

16 CT (röntgen) kontrasztanyag Vízoldékony, jódot tartalmazó makromolekula, mely akkumulációjának helyén megnöveli a röntgensugár elnyelést, ezáltal denzitás emelkedést okoz Ionos elavult (90-es évek eleje óta nem használatos) Nem-ionos (monomer, vagy dimer alacsony ozmolalitású) A vesében glomerulárisan filtrálódik és kiválasztása azonnal megkezdődik (nefrotróp) Alkalmazások: minden rtg alapú képalkotó vizsgálat Az erek ábrázolása CT-vel: CT angiográfia Nativ CT (??): kóros érfali meszesedés esetén I.v. kontrasztanyagos CT: hagyományos technika - aorta (d > 1 cm) Spirál CT-angiográfia: Egy detektorsoros spirál CT - aorta ágai (d > 2-3 mm) Multidetektoros spirál CT - perifériás erek (d > 1 mm) Arteria renalis aneurysma CTA 8 detektorsoros spirál CT-vel Koronária CT-angiográfia (CTCA) 64 szeletes MDCT-vel

17 NanoSPECT/CT NanoSPECT/CT Tl-201 Dual-channel SPECT CT: 36 μm voxelméret Valós-idejű CT rekonstrukció (GPU) 99m Tc-DTPA: diethylenetriaminepentaacetic (BBB) - kék/vörös) 99m Tc-HMPAO: hexamethylpropyleneamine oxime (perfúzió) - kék/vörös) 201 Tl-DDC: diethylthiocarbamate (perfúzió) - zöld Boa constrictor Osteomyelitis, 99m Tc-MDP (methylenediphosphonate)